Krystyna STEC*, Sabina DENYSENKO** Charakterystyka

WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Mat. Symp. str. 269 – 279
Krystyna STEC*, Sabina DENYSENKO**
*Główny Instytut Górnictwa, Katowice
**Urząd Miejski, Katowice
Charakterystyka wstrząsów górotworu rejestrowanych w strefie
uskoku kłodnickiego – Katowice – Panewniki
Streszczenie
Jednym z rejonów o wysokiej aktywności sejsmicznej GZW jest strefa tektoniczna uskoku
kłodnickiego. Jest to obszar bardzo podatny na wszelkiego rodzaju deformacje wynikające
zarówno z przeszłej jak i obecnie prowadzonej eksploatacji górniczej węgla, które są źródłem
wysokoenergetycznych wstrząsów górniczych. Wysoka aktywność sejsmiczna stanowi
zagrożenie dla podziemnych wyrobisk jak również jest przyczyną dyskomfortu i uciążliwości
dla mieszkańców a nawet uszkodzeń w infrastrukturze powierzchniowej. W celu poznania
charakteru tej sejsmiczności przeprowadzono badania mechanizmu ognisk wstrząsów
i fizycznych parametrów źródła, a następnie podjęto próbę określenia związków tych parametrów z charakterem drgań na powierzchni. Badania wykazały, że mechanizm wstrząsów
górotworu odzwierciedla lokalne pole tektoniczne. Mianowicie dla większości badanych
ognisk dominowały w nich procesy ścinania zachodzące na uskoku normalnym (udział
składowej ścinającej 60 % do 70 %) a płaszczyzny prawdopodobnego pękania w ognisku
można było skorelować z przebiegiem uskoków kłodnickiego oraz VIa. Wstrząsy te
charakteryzowały się bardzo wysokimi amplitudami przyspieszeń drgań na stanowisku
sejsmometrycznym zainstalowanym w Katowicach – Panewnikach. Przypuszcza się, że
przyczyną tego zjawiska była kierunkowość radiacji sejsmicznej, szczególnie istotna w przypadku ognisk o poślizgowym charakterze. Zatem oprócz podstawowych czynników wpływających na wartość efektu sejsmicznego na powierzchni jakimi są energia sejsmiczna wstrząsu,
odległość od obiektu, zjawisko amplifikacji, należy uwzględniać parametry mechanizmu
ognisk. Jest to bardzo ważne w przypadku oceny drgań sejsmicznych na obiekty budowlane,
gdyż wstrząsy górnicze o zbliżonych odległościach epicentralnych oraz energiach mogą mieć
bardzo różne amplitudy przyspieszeń drgań gruntu.
1. Wprowadzenie
Obszar uskoku kłodnickiego zalicza się do rejonów o najwyższej aktywności sejsmicznej
GZW. Ma on przebieg równoleżnikowy i charakteryzuje się zmienną amplitudą zrzutów oraz
zmiennym kątem nachylenia płaszczyzny uskokowej. Struktura ta zrzuca warstwy na południe.
Amplituda zrzutu wynosi od 360 m w jego wschodniej części a następnie maleje w kierunku
zachodnim do około 20 m. W rejonie badań wynosiła około 100 m. Uskokowi kłodnickiemu
towarzyszy szereg mniejszych uskoków o zrzutach od kilku do kilkunastu metrów,
układających się schodkowo lub wachlarzowato oraz uskoki o kierunku NE-SW o zrzutach od
kilkunastu do kilkudziesięciu metrów. Szczeliny uskoku kłodnickiego, a także uskoków
towarzyszących wypełnia druzgot skał w postaci brekcji piaskowców, iłowców i substancji
węglistej oraz bloków piaskowca.
____________________________________________________________________________
269
K. STEC, S. DENYSENKO – Charakterystyka wstrząsów górniczych rejestrowanych w strefie...
____________________________________________________________________________
Sieć różnokierunkowych uskoków niższych rzędów, towarzyszących uskokowi kłodnickiemu powoduje, że badany obszar pocięty został na szereg bloków tektonicznych o różnej
wielkości, różnie poprzesuwanych względem siebie, zarówno w pionie jak i poziomie. Jest to
więc obszar bardzo podatny na wszelkiego rodzaju deformacje wynikające zarówno z przeszłej
jak i obecnie prowadzonej eksploatacji górniczej węgla, które są źródłem wysokoenergetycznych wstrząsów górniczych i tąpań. Ta wysoka aktywność sejsmiczna stwarza zagrożenie
dla podziemnych wyrobisk jak również jest powodem dyskomfortu i uciążliwości dla
mieszkańców a nawet uszkodzeń w infrastrukturze powierzchniowej. W grudniu 2000 r.,
w związku z licznie zgłaszanymi do Urzędu Miasta w Katowicach skargami mieszkańców na
uciążliwość wstrząsów górniczych w jednej z dzielnic Katowic – tj. w Panewnikach
zainstalowano aparaturę sejsmometryczną AMAX-99 do rejestracji przyspieszeń drgań gruntu
w Oczyszczalni Ścieków „Panewniki”.
Trójskładowe stanowisko pomiarowe, umieszczone w gruncie, znajduje się około 700 m na
S od uskoku kłodnickiego w jego skrzydle zrzuconym (zrzut około 50 m) i około 100 m na
NW od uskoku VIa mającego przebieg, NNE-SSW, w jego skrzydle wiszącym.
W budowie geologicznej tego obszaru, zwanego Polem Panewnickim, biorą udział utwory:
czwartorzędu, trzeciorzędu, triasu i karbonu produktywnego. Utwory czwartorzędu, trzeciorzędu i triasu o miąższości około 150 m w rejonie Oczyszczalni „Panewniki” stanowią nadkład
węglonośnych warstw karbońskich. Utwory czwartorzędowe osiągają miąższość około 70 m.
Litologicznie są one wykształcone w postaci piasków szarych lub żółtych o zmiennym uziarnieniu, mułów, iłów oraz glin pochodzenia rzeczno – lodowcowego. W czwartorzędzie występuje kilka poziomów wodonośnych. Miąższość utworów trzeciorzędowych, reprezentowanych
przez miocen, wynosi na tym terenie około 40 m. Litologicznie utwory te wykształcone
są w postaci iłów marglistych miejscami zapiaszczonych o barwie zielonoszarej oraz szarej,
zawierających wkładki margli, żwirów i słabozwięzłych piaskowców i iłów zapiaszczonych.
Wkładki mają różną grubość od kilkucentymetrowych lamin do kilkumetrowych warstw.
Ogólnie nieprzepuszczalne osady mioceńskie tworzą warstwę izolującą. Trias w tym rejonie
osiąga miąższość około 40 m. Reprezentowany jest przez dolną część wapienia muszlowego,
składającego się z wapieni falistych i wapieni krystalicznych oraz utwory pstrego piaskowca –
wapienie, dolomity, pstre iły, piaski i piaskowce. Wodonośność warstw triasu jest zróżnicowana i uzależniona od stopnia spękań, skawernowania, drenażu poziomów wodonośnych oraz
warunków zasilania.
Utwory karbonu produktywnego reprezentowane są przez warstwy orzeskie (pokłady grupy
300) – westfal B, warstwy rudzkie (pokłady grupy 400) – westfal A i warstwy siodłowe
(pokłady grupy 500) – namur BC.
2. Wyniki rejestracji sejsmometrycznych w Katowicach - Panewnikach
Od lipca 2000 r. do końca stycznia 2003 r. w Oczyszczalni Ścieków „Panewniki”
zarejestrowano 269 wstrząsów, w tym 253 wstrząsy o energiach E  1,0+E 5J. W tym okresie
największe przyspieszenie drgań gruntu zarejestrowano 8.10.2002 r. o godz. 23 48, był to
wstrząs z odległości epicentralnej 628 m o energii 8,0E+06J. Wielkość wywołanego przez ten
wstrząs przyspieszenia, liczonego zgodnie ze skalą MSK w paśmie częstotliwościowym do
10 Hz, wynosiła 385 mm/s2 – co wg przyjętych kryteriów stanowi dużą uciążliwość użytkowania budynków poddanych wpływom wstrząsów górniczych. W paśmie częstotliwościowym
do 20 Hz przyspieszenie wynosiło 1060 mm/s2.
____________________________________________________________________________
270
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Drugie co do wielkości przyspieszeń zjawisko zarejestrowano 15.08.2001 r. o godz. 6 52. Był to
wstrząs o energii 5,0E+07J, który spowodował przyspieszenie o wartości w paśmie
częstotliwości do 10 Hz – 811 mm/s2, a w paśmie częstotliwości do 20 Hz – 952 mm/s2.
Z 269 zarejestrowanych wstrząsów 214 charakteryzowało się przyspieszeniem  25 mm/s2
(w paśmie do 20 Hz), 52 wstrząsy powodowały przyspieszenia w paśmie do10 Hz w zakresie
50 ÷ 150 mm/s2, co jest klasyfikowane jako mała uciążliwość użytkowania budynków. Siedem
wstrząsów wzbudziło przyspieszenia w przedziale 150 ÷ 300 mm/s2, co określa się jako średnią
uciążliwość, a cztery – przyspieszenia o wartości  300 mm/s2, co stanowi dużą uciążliwość
użytkowania budynków.
Dla kilkunastu zjawisk charakteryzujących się zróżnicowanymi wielkościami amplitud
przyspieszeń drgań gruntu przy podobnych energiach i odległościach epicentralnych (tablica
2.1) obliczono parametry mechanizmu ognisk oraz fizyczne parametry źródła.
Tablica 2.1.
Wykaz parametrów drgań gruntu wstrząsów rejestrowanych na stanowisku sejsmometrycznym
w Katowicach Panewnikach
Table 2.1.
Summary of the parameters and ground motion acceleration amplitudes for the mine tremors recorded
by a seismic station at Katowice-Panewniki
Data
Czas
Energia, J
Odległość, m
a1*, mm/s2
(KDOB)
a2**, mm/s2
(MSK)
01-01-20
14:37
2,0E+06
1193
180
69
01-04-17
1:11
1,0E+06
1336
322
62
01-05-26
18:32
1,0E+06
1355
605
329
01-07-02
22:06
9,0E+06
1262
459
220
01-07-12
2:19
1,0E+06
1270
203
136
01-07-24
19:32
6,0E+06
1319
510
240
01-08-09
4:37
5,0E+06
1294
466
303
01-08-09
7:25
3,0E+06
1308
93
58
01-08-15
6:52
5,0E+07
1278
952
811
01-10-12
21:48
2,0E+07
1248
150
99
01-08-18
8:18
4,0E+06
1266
220
108
01-11-17
2:31
5,0E+06
1148
284
152
01-12-11
3:47
7,0E+06
1183
68
54
02-04-03
11:11
8,0E+05
855
14
7
02-05-11
0:29
9,0E+05
957
46
3
02-10-08
23:48
8,0E+06
628
1060
384
02-12-23
21:54
8,0E+05
939
41
27
*a1 (KDOB) – maksymalne przyspieszenia wypadkowe w zakresie częstotliwości do 20 Hz, **a 2 (MSK) – maksymalne przyspieszenia wypadkowe w zakresie częstotliwości do 10 Hz, Odległość – odległość epicentralna
Wyszczególnione w tablicy 2.1 wstrząsy charakteryzowały się wyższymi wartościami
przyspieszeń w zakresie do 20 Hz, niż do 10 Hz. Wynikało to jak wykazała analiza, że dla
większości zjawisk w ich zapisach oprócz mody drgań niskoczęstotliwo-ściowych (do 10 Hz)
występuje moda wysokoczęstotliwościowa (powyżej 10 Hz). Jest to bardzo istotne, gdyż
drgania wysokoczęstotliwościowe są szczególnie intensywnie odczuwane przez ludzi, mimo że
____________________________________________________________________________
271
K. STEC, S. DENYSENKO – Charakterystyka wstrząsów górniczych rejestrowanych w strefie...
____________________________________________________________________________
nie stanowią istotnego zagrożenia dla budynków (Dubiński i Mutke 2001). Jednak jest to
z pewnością bardzo ważny czynnik wpływający na odczuwalność efektu sejsmicznego przez
ludność, który powinien być uwzględniany w przeprowadzanych analizach, gdyż często na
obszarach górniczych o wysokiej aktywności sejsmicznej wstrząsy górnicze odczuwane są
z dużym przestrachem i paniką co jest przyczyną dyskomfortu i uciążliwości dla mieszkańców.
Na rysunku 2.1 i 2.2 przedstawiono akcelerogram i spektrum FFT wstrząsu z dnia 08.10.02
o energii 8,0E+06J zarejestrowanego na stanowisku w Katowicach – Panewnikach.
0.99 1
m/sek^2
-1
0.71 2
m/sek^2
-0.71
0.43 3
m/sek^2
-0.43
0.5
1
1.5
czas [sek]
2
2.5
3
3.5
Rys. 2.1. Akcelerogram wstrząsu z dnia 08.10.02 o energii E = 8,0E+06J, zarejestrowany
w Katowicach – Panewnikach
Fig. 2.1. Acceleration for a tremor of the October 08.2002, seismic energy E = 8,0E+06J,
recorded at Katowice – Panerwniki
29 1
m/sek
7.2E-7
25 2
m/sek
7.2E-7
19 3
m/sek
3.6E-7
10
20
30
Częstotliwość [Hz]
40
50
60
Rys. 2.2. Spektrum wstrząsu z dnia z dnia 08.10.02 o energii E = 8,0E+06J, zarejestrowany
w Katowicach – Panewnikach
Fig. 2.2. Spectrum for a tremor of the October 08.2002, seismic energy E = 8,0E+06J,
recorded at Katowice – Panerwniki
____________________________________________________________________________
272
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Analizując te rysunki, można zauważyć, że przyspieszenia drgań są bardzo wysokie
w przedziale częstotliwości 20 Hz i wynoszą 1060 mm/s 2. Natomiast w przedziale częstotliwości do 10 Hz spadły do wartości 384 mm/s2. Wynika to z faktu, że w obrazie spektrum FFT
dominują drgania o częstotliwościach z zakresu 10 – 20 Hz.
3. Wyniki badań mechanizmu ognisk wstrząsów górotworu
Przeprowadzone badania mechanizmu ognisk wstrząsów miały na celu ocenę wpływu
lokalnej tektoniki górotworu na procesy zachodzące w ogniskach wstrząsów, a następnie
określenie związków obliczonych parametrów z charakterem drgań na powierzchni. Do analizy
zastosowano inwersję tensora momentu sejsmicznego zrealizowaną przy pomocy metody
inwersji amplitud w domenie czasu dla fali podłużnej typu P. Do obliczeń wykorzystano
program SMT-94 (Wiejacz 1994), który oprócz rozwiązania pełnego, oblicza również
rozwiązanie o śladzie zero (czyli z pominięciem składowej izotropowej) i rozwiązanie
ścinające (mechanizm podwójnej pary sił). Uzyskuje się także, co jest niezmiernie istotne,
procentowy udział poszczególnych elementów składowych mechanizmu, to jest podwójnej
pary sił (DBCP), liniowego dipola skompensowanego (CLVD) i składowej izotropowej (I).
Zastosowana metoda pozwala również na udokładnienie głębokości występowania zjawisk
sejsmicznych na podstawie określenia najmniejszych błędów wyznaczenia tensora oraz
największej wartości współczynnika dopasowania. Z kolei korelacja tych wartości z warunkami geologiczno-górniczymi umożliwia określenie tzw. „warstw wstrząsogennych” odpowiedzialnych za powstawanie zjawisk dynamicznych.
Dla zaistniałych zjawisk przeprowadzono obliczenia dla przedziału głębokości od -400 m
do -800 m. W zasadzie dla większości zjawisk najlepsze dopasowanie czyli najmniejszy błąd
wyznaczenia tensora momentu sejsmicznego oraz najwyższy współczynnik jakości rozwiązania Q uzyskano dla głębokości około 700 m ( 50 m).
Analizowane wstrząsy górnicze charakteryzowały się bardzo zbliżonymi parametrami
uzyskanych rozwiązań mechanizmu. Parametry sejsmologiczne wybranych do analizy wstrząsów oraz wyniki rozwiązania mechanizmu ognisk przedstawia tablica 3.1, a przykład rozwiązań tensora momentu sejsmicznego prezentuje rysunek 3.1.
Rozwiązanie tensora momentu sejsmicznego przedstawione jest w postaci graficznej na
rzucie równopowierzchniowym dolnej półkuli ogniskowej. Obszary zaciemnione są obszarami
kompresji, obszary białe są obszarami dylatacji. W tym przypadku, dla zasadniczej większości
badanych ognisk dominowały procesy ścinania zachodzące na uskoku normalnym, a płaszczyzny prawdopodobnego pękania w ognisku można było skorelować z przebiegiem struktur
tektonicznych. Wybrana płaszczyzna pękania dla wstrząsów występujących w polu oddziaływania uskoku VIa miała przebieg NNE-SSW, czyli zbliżony do rozciągłości tego uskoku.
Natomiast rozciągłość płaszczyzny pękania wstrząsów występujących w rejonie uskoku
kłodnickiego miała zbliżony do rozciągłości tej struktury w tym rejonie. Ogólnie, mechanizm
ognisk przedmiotowych wstrząsów dla rozwiązania pełnego tensora zawierał średnio 15 %
implozji, około 15 % składowej jednoosiowego rozciągania oraz średnio od 60 do 70 %
składowej ścinającej. Pozostałe rozwiązania (tensor dewiatoryczny i para sił) wskazywały na
czysty proces ścinania na uskoku normalnym, gdyż składowa jednoosiowego ściskania
wynosiła maksymalnie do 15 %. Otrzymane rozwiązanie mechanizmu jak i głębokość występowania ognisk wyraźnie świadczą o ich uskokowym charakterze.
____________________________________________________________________________
273
K. STEC, S. DENYSENKO – Charakterystyka wstrząsów górniczych rejestrowanych w strefie...
____________________________________________________________________________
Rys. 3.1. Przykład rozwiązania mechanizmu ogniska dla wstrząsu z dnia 08.10.02, energia E = 8E+06J
Fig. 3.1. An example of the solution of the February 08.2002, seismic energy E = 8E+06J mine tremor
Można zatem stwierdzić, że wysoka aktywność sejsmiczna występuje w wyniku procesów
związanych z naruszeniem równowagi w obszarze skomplikowanych struktur tektonicznych
podatnych na wszelkiego rodzaju deformacje wynikające zarówno z przeszłej jak i obecnie
prowadzonej eksploatacji górniczej węgla. Wstrząsy te charakteryzowały się bardzo wysokimi
amplitudami przyspieszeń drgań na stanowisku sejsmometrycznym zainstalowanym
w Katowicach – Panewnikach. Przypuszcza się, że przyczyną tego zjawiska była kierunkowość
radiacji sejsmicznej gdyż przy poślizgowym charakterze ognisk maksymalne wypromieniowanie fal sejsmicznych zwłaszcza fal S, występuje wzdłuż płaszczyzny uskoku a nieco
mniejsze prostopadle do tej płaszczyzny. Rozkład radiacji sejsmicznej nie jest więc
równomierny ale występują szczególnie predysponowane kierunki, które mogą charakteryzować się wysokimi amplitudami drgań. Dla analizowanych wstrząsów szczególnie
predysponowanym był kierunek WNN-EES oraz NNE-SSW. Bardzo wymownym przykładem
jest wstrząs z 08.10.02 (rys. 3.1) w którym płaszczyzna pękania ma przebieg zgodny
z rozciągłością uskoku Via, a stanowisko pomiarowe leży na tej strukturze tektonicznej.
Przykład rozwiązania mechanizmu ognisk na tle struktur tektonicznych w tym rejonie
przedstawia rysunek3.2.
____________________________________________________________________________
274
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Tablica 3.1.
Zestawienie parametrów sejsmologicznych i parametrów mechanizmu ognisk wstrząsów o wysokich
wartościach drgań powierzchni
Table 3.1.
Summary of the seismic and focal mechanism parameters for mine tremors’ strong ground motions
____________________________________________________________________________
275
K. STEC, S. DENYSENKO – Charakterystyka wstrząsów górniczych rejestrowanych w strefie...
____________________________________________________________________________
Rys. 3.2. Mechanizmy ognisk wstrząsów opisywanych pełnym tensorem momentu sejsmicznego
na tle struktur tektonicznych
Fig. 3.2. Distribution of the mine tremor focal mechanisms described by the full seismic moment
tensor against a background of the tectonic structures
4. Analiza wyników badań parametrów źródła
Określenie fizycznych parametrów ognisk wstrząsów wykonano w oparciu o model Brune'a
(1970). W modelu tym ognisko jest dyslokacją kołową, przy czym przemieszczenie następuje
jednocześnie na całej płaszczyźnie, która jest równoważna powierzchni całkowicie odbijającej
fale poprzeczne rozchodzące się prostopadle do powierzchni dyslokacji. Obliczono relacje
pomiędzy geometrycznymi cechami widma wstrząsu a fizycznymi parametrami ogniska.
Analizę spektralną wykonano programem SEJSGRAM a obliczenia parametrów źródła
programem MULTILOK (Lurka 1999). W pierwszej kolejności wszystkie sejsmogramy
będące zapisami prędkości drgań gruntu zostały scałkowane celem otrzymania zapisów
przemieszczeń gruntu. Następnie wybrane odcinki sejsmogramów przemieszczeń, odpowiadające grupom fal P i S, poddano szybkiej transformacji Fouriera. Z każdego spektrum
przemieszczeniowego fal P i S zostały obliczone parametry spektralne: niskoczęstotliwościowy
poziom spektralny 0 i częstotliwość narożna f0, które posłużyły do obliczenia parametrów
źródła. Wyniki obliczeń parametrów źródła przedstawia tablica 4.1.
____________________________________________________________________________
276
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Tablica 4.1
Parametry źródła ognisk wstrząsów o wysokich wartościach drgań powierzchni
Physical source parameters of mine tremors – induced strong ground motions
Table 4.1.
Parametry źródła
Data
Czas
Energia, J
01-01-20
14:37
01-04-17
1:11
01-06-26
M0, Nm
f0, Hz
r0, m
, Pa
D, m
2,0E+06
9,56E+12
7
43
2,65E+06
3,28E-03
1,0E+06
7,56E+12
8
65
2,65E+06
2,28E-03
18:32
1,0E+06
9,98E+12
9
52
9,70E+06
1,43E-03
01-07-02
22:06
9,0E+06
3,03E+13
6
76
1,05E+06
4,76E-03
01-07-12
2:19
1,0E+06
2,46E+13
6
67
2,81E+06
1,51E-03
01-07-24
19:32
6,0E+06
8,34E+12
8
81
1,01E+06
7,87E-03
01-08-09
4:37
5,0E+06
2,83E+13
7
75
7,35E+05
5,53E-03
01-08-09
7:25
3,0E+06
1,92E+13
7
52
6,29E+05
1,78E-03
01-08-15
6:52
5,0E+07
4,44E+13
5
112
6,25E+06
3,51E-02
01-10-12
21:48
2,0E+07
2,46E+13
5
105
1,32E+06
1,82E-02
01-11-17
2:31
5,0E+06
3,02E+13
8
73
8,70E+06
1,43E-03
01-12-11
3:47
7,0E+06
3,98E+13
6
69
5,21E+06
8,12E-03
02-04-03
11:11
8,0E+05
1,05E+12
11
45
3,64E+05
1,19E-04
02-05-11
0:29
9,0E+05
1,43E+13
6
102
4,73E+05
2,49E-02
02-10-08
23:48
8,0E+06
2,51E+13
9
76
5,86E+06
2,28E-02
02-12-23
21:54
8,0E+05
6,45E+11
12
43
5,20E+05
3,16E-03
M0, Nm – moment sejsmiczny; f0, Hz – częstotliwość narożna; r0, m – promień ogniska; ,
Pa – spadek naprężeń; D, m – przesunięcie w ognisku.
Analiza spektralnych parametrów źródła grupy wstrząsów charakteryzujących się
wysokimi amplitudami przyspieszeń drgań gruntu oraz poślizgowym mechanizmem ognisk
wykazała zróżnicowane wartości poszczególnych parametrów. Wynosiły one odpowiednio:
moment sejsmiczny – od 6,5 1011 do 4,44  1013 Nm, częstotliwość narożna – od 5 do 12 Hz,
spadek naprężeń w ogniskach – od 3,6  105 do 6,3  106 Pa, promień ognisk – od 43 do 112 m
a przesunięcie w ognisku – od 1,2  10-4 do 3,5  10-2 m. Wielkości tych parametrów odpowiadały zróżnicowaniu energetycznemu natomiast nie zaobserwowano istotnych różnic
w wielkościach obliczonych wartości w stosunku do wielkości amplitud przyspieszeń drgań
gruntu.
5. Podsumowanie
Rejon uskoku kłodnickiego charakteryzuje się wysoką aktywnością sejsmiczną stanowiącą
dużą uciążliwość i dyskomfort dla mieszkańców a niejednokrotnie będącą przyczyną
uszkodzeń w infrastrukturze powierzchniowej.
W celu poznania charakteru tej sejsmiczności przeprowadzono badania mechanizmu ognisk
wstrząsów i fizycznych parametrów źródła a następnie podjęto próbę określenia związków
obliczonych parametrów z wartościami przyspieszeń drgań na powierzchni.
Analiza mechanizmu ognisk silnych wstrząsów występujących w strefach uskokowych
wykazała wpływ tych struktur na procesy pękania. Mianowicie dla większości badanych
____________________________________________________________________________
277
K. STEC, S. DENYSENKO – Charakterystyka wstrząsów górniczych rejestrowanych w strefie...
____________________________________________________________________________
ognisk dominowały w nich procesy ścinania zachodzące na uskoku normalnym (udział
składowej ścinającej wynosił od 60 do 70 %) a płaszczyzny prawdopodobnego pękania
w ognisku można było skorelować z przebiegiem uskoku kłodnickiego oraz uskoku VIa.
Wstrząsy te charakteryzowały się bardzo wysokimi amplitudami przyspieszeń drgań na
stanowisku sejsmometrycznym zainstalowanym w Katowicach – Panewnikach. Maksymalne
wartości rejestrowanych przyspieszeń drgań w zakresie częstotliwościowym od 0 do 10 Hz
wynosiły powyżej 300 mm/s2. Ponadto charakteryzowały się one wyższymi wartościami
przyspieszeń w zakresie do 20 Hz niż do 10 Hz. Wynikało to jak wykazała analiza, że dla
większości zjawisk w ich zapisach oprócz mody drgań niskoczęstotliwościowych (do 10 Hz)
występowała moda wysokoczęstotliwościowa (powyżej 10 Hz).
Przypuszcza się, że przyczyną rejestrowanych wysokich wartości przyspieszeń drgań była
kierunkowość radiacji sejsmicznej, gdyż przy poślizgowym charakterze ognisk maksymalne
wypromieniowanie fal sejsmicznych zwłaszcza fal S, występuje wzdłuż płaszczyzny uskoku,
a nieco mniejsze prostopadle do tej płaszczyzny. Rozkład radiacji sejsmicznej nie jest więc
równomierny, ale występują szczególnie predysponowane kierunki, które mogą charakteryzować się wysokimi amplitudami drgań. Szczególnie predysponowane były dwa kierunki, jeden
zbliżony do rozciągłości uskoku kłodnickiego w tym rejonie (WWN – EES), a drugi do
rozciągłości uskoku VIa (NEE – WSS).
Analiza spektralnych parametrów źródła grupy wstrząsów charakteryzujących się wysokimi amplitudami przyspieszeń drgań gruntu oraz poślizgowym mechanizmem ognisk wykazała
zróżnicowane wartości poszczególnych parametrów. Wielkości tych parametrów odpowiadały
zróżnicowaniu energetycznemu wstrząsów, natomiast nie zaobserwowano istotnych różnic
w wielkościach obliczonych wartości w stosunku do wielkości amplitud przyspieszeń drgań
gruntu.
Przeprowadzone badania wykazały, że ocena wpływu drgań gruntu na infrastrukturę
powierzchniową w oparciu o ogólne zależności uwzględniające energię, odległość epicentralną
oraz amplifikację może być obarczona pewnym błędem. W przypadku gdy nie dysponujemy
bezpośrednimi pomiarami drgań gruntu w obliczeniach powinno się uwzględnić czynnik
odzwierciedlający kierunkowość propagacji fal sejsmicznych.
Literatura
[1] Aki K., Richards P.G. 1980: Quantitative Seismology - Theory and Methods, vol. 1,2, W. H. Freeman
and Co., San Francisco.
[2] Brune J.N. 1970: Tectonic stress and the sperctra of seismic shear waves from the earthquakes, J.
Geophys. Res., 75, 4997 – 5009.
[3] Dubiński J., Mutke G. 2001: Reakcja budynków na wstrząsy górnicze z wysokoczęstotliwościową modą
drgań gruntu. Materiały Sympozjum „Warsztaty ’2001”, Kraków, 543 – 549.
[4] Lurka A. 1999: System kontrolno pomiarowy dla oceny oddziaływania wstrzasów górniczych na
powierzchnię. Dokumentacja GIG (niepublikowane).
[5] Wiejacz P. 1994: Program SMT (niepublikowane).
____________________________________________________________________________
278
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Characteristics of the seismic mine tremor records from the Katowice –
Panewniki segment of the Kłodnicki fault zone
One of the regions of the high seismic activity in the Upper Silesian Coal Basin area is the
Kłodnicki tectonic fault zone. This region is very prone to various deformations resulting from
both the past and current coal mining and being the source of high energy mine tremors. This
high seismic activity is a significant risk to underground mine workings and also causes
discomfort and arduousness for residents as well as damage to surface infrastructure. To
understand the nature of this seismicity, an investigation into the mine tremor source
mechanism and its physical parameters had been performed and then an attempt was made to
relate the obtained parameters with the nature of ground motions observed at the surface. It has
been found that the mine tremor source mechanism reflects a local tectonic field. Thus, for the
majority of sources under study, the normal fault – related shear processes where predominant
with a share of shear component ranging from 75% to 90% and the likely orientation of the
source fault planes being well correlated with traces of the Kłodnicki and Vla faults. The mine
tremors, recorded by a seismic station at Katowice – Panewniki, showed very high ground
motion acceleration amplitudes. The likely cause of this phenomenon was the seismic wave
radiation directivity, a feature being particularly common among the slip fault – type sources.
Therefore, in addition to the basic factors influencing the magnitude of seismic waves –
induces surface effects, such as mine tremor seismic energy, distance to an object and the
amplification factor, the source mechanism parameters should also be taken into account. This
is of the highest importance when considering an assessment of the impact of seismic waves on
structural objects because the mine tremors of similar epicentral distance and energies can
widely differ in ground motion acceleration amplitudes.
Przekazano: 10 marca 2003 r
____________________________________________________________________________
279